5.3 Уравнения состояния

Состояние тела определяется его внутренней энергией.

Термодинамическая система

Термодинамической системой называется совокупность макроскопических объектов (тел и полей), обменивающихся энергией в форме работы и в форме теплоты как друг с другом, так и с внешней средой (внешними по отношению к системе телами и полями).

Состояние термодинамической системы определяется совокупностью значений ее термодинамических параметров (параметров состояния) – всех физических величин, характеризующих макроскопические свойства системы (плотность, энергию, вязкость, поляризацию, намагниченность и т.д.). Основные термодинамические параметры состояния – давление, температура и удельный объем.

Всякое изменение состояния термодинамической системы называется термодинамическим процессом. Изопроцессы – термодинамические процессы, протекающие при неизменном значении какого-либо параметра состояния. Состояние системы называется стационарным, если оно не изменяется во времени.

Термодинамический метод состоит в изучении свойств системы взаимодействующих тел путем анализа условий и количественных соотношений происходящих в системе превращений энергии.

Энергия системы, зависящая только от ее термодинамического состояния, называется внутренней энергией. Если система не подвержена действию внешних сил и находится в состоянии макроскопического покоя, внутренняя энергия системы является ее полной энергией.

Внутренняя энергия системы включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и др.), энергию взаимодействия этих частиц, энергию электронных оболочек атомов и ионов, внутриядерную энергию и т.д.

Температура тела характеризует энергию, с которой движутся его молекулы, и характеризует состояние тела (является параметром состояния).

Внутренняя энергия является функцией состояния системы, т.е. зависит только от параметров состояния p, V , T и не зависит от способа, которым это состояние достигнуто.

Каждому термодинамическому состоянию системы соответствует определенное значение внутренней энергии.

Первый закон термодинамики: тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на повышение ее внутренней энергии и работу, производимую системой против внешних сил.

Тепловая энергия (количество теплоты) представляет собой один из видов энергии и подчиняется закону сохранения энергии. Тепловая энергия может возникать в результате превращения других видов энергии (механической, электрической, химической и др.).

При нагревании амплитуда колебаний молекул увеличивается, расстояние между ними возрастает, и тело занимает больший объем.

Для твердого тела объемное расширение можно рассматривать как линейное расширение в трех направлениях.

В жидкостях при нагревании изменяется не только объем, но и плотность жидкости. Объем изменяется в соответствии с коэффициентом объемного расширения β: V₂= V₁(1 + β∆t). Объем и плотность жидкости обратно пропорциональны друг другу: ρ₁/ ρ₂ = V₂/V₁, тогда ρ₂ = ρ₁ / (1 + β∆t).

Газы расширяются значительно сильнее, чем твердые и жидкие тела. При постоянном давлении объем газа пропорционален абсолютной температуре, при постоянном объеме давление газа пропорционально абсолютной температуре (законы Гей-Люссака). Уравнение состояния идеального газа: pV = mRT (R – газовая постоянная). Газ считается идеальным, если для него при постоянной температуре выполняется равенство pV = const (закон Бойля-Мариотта). В реальних газах (вблизи токи конденсации – при высоком давлении и низкой температуре) свойства газа значительно отличается от идеального.